4.2. Елементи вводу/виводу випромінювання у хвилевід
4.2.1. Поперечні елементи зв’язку
В поперечних елементах зв’язку світловий пучок фокусується безпосередньо на торець ОХ (на відкритий поперечний переріз хвилеводу). Тому, таку систему звичайно можна назвати елементом «прямого типу» (рис.3). Перетворення енергії світлового пучка у хвилеводну моду досягається для даного випадку шляхом узгодження поперечного розподілу поля світлового пучка з поперечним розподілом поля моди ОХ. Наприклад, основна ТЕ0-мода ОХ має поперечний розподіл амплітуди поля подібний до гаусівського розподілу лазерного пучка. У такому разі, необхідне узгодження полів пучка і моди реалізується шляхом зменшення діаметра лазерного пучка, що досягається у найпростішому випадку з допомогою лінзи (рис.3). Якщо між профілем розподілу поля падаючого пучка і профілем розподілу поля моди існує яка-небудь неузгодженість, то оптична енергія буде втрачатися на збудження небажаних мод більш високих порядків та випромінювальних мод.
Рис.3. Прямий ввід оптичного випромінювання у хвилевід
В принципі, шляхом підбору лінз можна отримати майже повне узгодження полів і отримати ефективність вводу майже 100%. Однак, на практиці торець ОХ є не зовсім плоский і гладкий, тому з’являються значні втрати. Крім того, оскільки товщина ОХ становить порядку 1 мкм, лінзи і лазерний пучок потребують дуже точного центрування. Внаслідок таких обмежень поперечні елементи зв’язку використовуються рідко.
4.2.2. Поздовжні елементи зв’язку
У поздовжніх елементах зв’язку світловий пучок падає похило на оптичний хвилевід під деяким кутом до напрямку поширення світла у хвилеводі. До таких елементів відносять призменні та ґраткові елементи вводу/виводу, а також елементи зв’язку через звужений край хвилеводу.
Призменний елемент вводу/виводу
У даному випадку для вводу/виводу випромінювання у хвилевід використовується призма, яка розміщується впритул до хвилеводного шару (рис.4). Оптична енергія світлового пучка, який вводиться в призму, зв’язується з модою ОХ через затухаюче поле в повітряному зазорі між призмою і хвилеводом.
Рис.4. Ввід/вивід випромінювання у хвилевід з допомогою призми
При однорідному чи гаусівському розподілі світлового пучка з допомогою призми можна ввести в ОХ не більше 80% енергії.
Гратковий елемент вводу/виводу
Гратковий елемент зв’язку працює подібно призменному за винятком того, що призма і повітряний зазор замінені граткою. Така ґратка виготовляється як правило шляхом нанесення на хвилеводний шар плівки фоторезисту, яка пізніше експонується інтерференційною картиною. В залежності від властивостей фоторезисту і методики його обробки профіль ґратки може мати синусоїдальну, трикутну, трапецеїдальну та інші форми.
Рис.5. Принцип роботи граткового елемента вводу/виводу
Основний недолік ґраткового елементу вводу/виводу полягає в тому, що значна частина падаючої енергії багато раз проходить через плівку, а потім втрачається у підкладці, оскільки, на відміну від призменного елемента зв’язку ґратковий елемент не може працювати в режимі повного відбивання.
Максимальна ефективність зв’язку при використанні ґраткових елементів вводу/виводу досягає 70%.
Тонкоплівковий хвилевід зі звуженим краєм
Даний елемент являє собою тонку плівку на підкладці, яка звужується на кінці (рис.6)
Рис.6. Хвилеводний елемент зв’язку через звужений край тонкої плівки
Хвилеводна мода, яка поширюється у плівці, доходить до звуженого краю і продовжує далі поширюватись, однак, кут падіння на границю розділу «плівка-підкладка» починає поступово зменшуватись. В результаті в деякій точці Р кут падіння стає меншим критичного кута і світлова енергія починає внаслідок заломлення попадати у підкладку. При подальшому поширенні ця енергія зростає, так що в кінцевому рахунку більша частина енергії моди перетворюється у вихідний пучок. Вихідний пучок характеризується великою розбіжністю від 1° до 20°, яка суттєво знижує переваги такого елемента зв’язку.
Звужений край може використовуватись також і для вводу випромінювання у хвилевід, однак його ефективність як правило дуже мала, оскільки важко узгодити розподіл поля падаючого пучка. Тому, такий елемент переважно використовується для виводу енергії з хвилеводу.